Waarom u omgee vir kwantumneurowetenskap

As u nog nie gehoor het nie, is Quantum-wetenskap op die oomblik wit, met opgewonde praatjies oor ondenkbaar kragtige kwantumrekenaars, ultra-doeltreffende kwantumkommunikasie en ondeurdringbare kuberveiligheid deur middel van kwantumkodering.

Waarom al die hype?

Eenvoudig gestel, kwantumwetenskap beloof reuse sprong vorentoe in plaas van die babastappe waaraan ons gewoond geraak het deur die alledaagse wetenskap. Die daaglikse wetenskap gee ons byvoorbeeld elke 2-3 jaar nuwe rekenaars wat dubbel verdubbel, terwyl kwantumwetenskap rekenaars met baie beloof triljoene kere meer krag as die mees gespierde rekenaar wat vandag beskikbaar is.

Met ander woorde, kwantumwetenskap sal, as dit suksesvol is, 'n seismiese verskuiwing in tegnologie veroorsaak wat die wêreld soos ons dit ken, op nog meer diepgaande maniere sal vorm as wat die internet of slimfone gedoen het.

Die asemrowende moontlikhede van die kwantumwetenskap spruit alles uit een eenvoudige waarheid: kwantumverskynsels verbreek die reëls wat beperk wat "klassieke" (normale) verskynsels kan bereik.

Twee voorbeelde waar kwantumwetenskap dit wat vroeër onmoontlik was, skielik moontlik maak, is kwantumsuperposisie en kwantumverstrengeling.

Kom ons pak kwantum -superposisie eers aan.

In die normale wêreld kan 'n voorwerp soos 'n bofbal slegs op een plek op 'n slag wees. Maar in die kwantumwêreld kan 'n deeltjie soos 'n elektron 'n oneindige aantal plekke inneem op dieselfde tyd, bestaan ​​in wat fisici 'n superposisie van verskeie state noem. In die kwantumwêreld tree een ding dus soms op soos baie verskillende dinge.

Laat ons nou die kwantumverstrengeling ondersoek deur die baseball -analogie 'n bietjie verder uit te brei. In die normale wêreld is twee bofballe wat in donker kluise in groot liga -stadions in Los Angeles en Boston sit, heeltemal onafhanklik van mekaar, sodat as u een van die stoorkaste oopmaak om na een bofbal te kyk, niks met die ander bofbal sou gebeur nie in 'n donker bergingskas 3000 myl daarvandaan. Maar in die kwantumwêreld, twee individuele deeltjies, soos fotone kan verstrengel word, sodat die blote daad van die waarneming van een foton met 'n detektor die ander foton, hoe ver ook al, onmiddellik dwing om 'n bepaalde toestand aan te neem.

So 'n verstrengeling beteken dat in die kwantum -heelal verskeie verskillende entiteite soms as 'n enkele entiteit kan optree, ongeag hoe ver die onderskeie entiteite van mekaar is.

Dit sou die ekwivalent wees van die verandering van die toestand van een bofbal - sê, dwing dit om op die boonste teenoor die onderste rak van 'n opbergkas te wees - bloot deur 'n opbergkas oop te maak 3 000 myl daarvandaan en heeltemal te kyk. anders bofbal.

Hierdie "onmoontlike" gedrag maak kwantumentiteite ideaal om die onmoontlike te doen met byvoorbeeld rekenaars. In normale rekenaars is 'n gestoorde stukkie inligting óf 'n nul óf 'n een, maar in 'n kwantumrekenaar is 'n gestoorde bit, 'n Qubit (kwantumbit), tegelyk nul en een. Waar 'n eenvoudige geheueopslag van 8 bisse dus elke individuele getal van 0 tot 255 (2^8 = 256) kan bevat, kan 'n geheue van 8 Qubits 2^8 = 256 stoor aparte getalle alles gelyktydig! Die vermoë om eksponensieel meer inligting te stoor, is waarom kwantumrekenaars 'n kwantumsprong in verwerkingskrag beloof.

In die voorbeeld hierbo stoor 'n 8 bis -geheue op 'n kwantumrekenaar 256 nommers tussen 0 en 255 gelyktydig, terwyl 'n 8 -bis -geheue op 'n gewone rekenaar slegs 1 nommer tussen 0 en 255 op 'n slag stoor. Stel u nou 'n 24 -bits kwantumgeheue voor (2^24 = 16,777,216) met slegs 3 keer soveel Qubits as ons eerste geheue: dit kan 'n enorme hoeveelheid berg 16 777 216 verskillende nommers tegelyk!

Dit bring ons by die kruising van kwantumwetenskap en neurobiologie. Die menslike brein is 'n veel kragtiger verwerker as enige rekenaar wat vandag beskikbaar is: bereik dit 'n deel van hierdie ontsagwekkende krag deur kwantumvreemdheid te benut op dieselfde manier as wat kwantumrekenaars doen?

Tot baie onlangs was fisici se antwoord op die vraag 'n dawerende 'nee'.

Kwantumverskynsels soos superposisie is afhanklik van die isolasie van die verskynsels uit die omliggende omgewing, veral hitte in die omgewing wat deeltjies aan die gang sit, die hiper-delikate kwantumhuis van superposisionele kaarte ontstel en 'n bepaalde deeltjie dwing om óf punt A óf punt B te neem. , maar nooit albei op dieselfde tyd nie.

As wetenskaplikes dus kwantumverskynsels bestudeer, doen hulle baie moeite om die materiaal wat hulle bestudeer uit die omliggende omgewing te isoleer, gewoonlik deur die temperatuur in hul eksperimente te verlaag tot byna absolute nul.

Daar is egter bewyse uit die wêreld van plantfisiologie dat sommige biologiese prosesse wat op kwantum -superposisie staatmaak, by normale temperature plaasvind, wat die moontlikheid verhoog dat ondenkbaar vreemde wêreld van kwantummeganika inderdaad die daaglikse werking van ander biologiese stelsels, soos ons, kan binnedring. senuweestelsels.

Byvoorbeeld, in Mei 2018 het 'n navorsingspan aan die Universiteit van Groningen, met die natuurkundige Thomas la Cour Jansen, bewyse gevind dat plante en 'n paar fotosintetiese bakterieë byna 100% doeltreffend is om sonlig na bruikbare energie om te skakel deur te benut dat absorpsie van sonenergie sommige elektrone veroorsaak ligvangende molekules kan gelyktydig bestaan ​​in beide opgewonde en nie-opgewonde kwantumtoestande wat oor relatief lang afstande binne die plant versprei is, sodat die lig-opgewekte elektrone die doeltreffendste pad kan vind vanaf die molekules waar lig gevang word na verskillende molekules waar bruikbare energie want die plant word geskep.

Evolusie, in sy onophoudelike soeke na die ontwerp van die mees energie-doeltreffende lewensvorme, blyk die fisici se oortuiging dat nuttige kwantum-effekte nie in die warm, nat omgewings van die biologie kan gebeur nie, te ignoreer.

Die ontdekking van kwantum -effekte in plantbiologie het aanleiding gegee tot 'n heeltemal nuwe veld van wetenskap, genaamd kwantumbiologie. In die afgelope paar jaar het kwantumbioloë bewyse gevind van kwantummeganiese eienskappe in die waarneming van magnetiese veld in die oë van sommige voëls (wat die voëls in staat stel om te navigeer tydens migrasie), en in die aktivering van reukreseptore by mense. Visienavorsers het ook ontdek dat fotoreceptore in die menslike retina elektriese seine kan genereer deur die vaslegging van 'n enkele kwanta ligenergie.

Het evolusie ons brein ook hiper-doeltreffend gemaak om bruikbare energie op te wek of om inligting onder neurone oor te dra en op te slaan met behulp van kwantum-effekte soos superposisie en verstrengeling?

Neurowetenskaplikes is aan die begin besig om hierdie moontlikheid te ondersoek, maar ek is opgewonde oor die ontluikende veld van kwantumneurowetenskap, want dit kan lei tot deurdringende deurbrake in ons begrip van die brein.

Ek sê dit omdat die geskiedenis van die wetenskap ons leer dat die grootste deurbrake byna altyd kom uit idees wat, voordat 'n bepaalde deurbraak plaasvind, ongelooflik vreemd klink. Einstein se ontdekking dat ruimte en tyd werklik dieselfde is (algemene relatiwiteit) is een voorbeeld, die ontdekking van Darwin dat mense uit meer primitiewe lewensvorme ontwikkel het, is 'n ander voorbeeld. En natuurlik is Planck, Einstein en Bohr se ontdekking van kwantummeganika in die eerste plek nog 'n ander.

Dit alles impliseer sterk dat die idees agter die spelverandering van môre in die neurowetenskap van vandag vir die meeste mense baie onortodoks en onwaarskynlik sal lyk.

Net omdat kwantumbiologie in die brein vreemd en onwaarskynlik klink, kwalifiseer dit nie outomaties as die bron van die volgende reuse sprong vorentoe in die neurowetenskap nie. Maar ek het die vermoede dat 'n dieper begrip van kwantum -effekte in lewende stelsels belangrike nuwe insigte oor ons brein en senuweestelsels sal oplewer, maar sonder om 'n ander rede, dat die aanvaarding van 'n kwantumstandpunt neurowetenskaplikes sal laat soek na antwoorde in vreemde en wonderlike plekke wat hulle nog nooit oorweeg het om te ondersoek nie.

En as ondersoekers na die vreemde en wonderlike verskynsels kyk, kan daardie verskynsels, soos hul verstrengelde neefs in deeltjiesfisika, daarna terugkyk!